水吸收氨过程填料吸收塔设计

1、广西科技大学鹿山学院化工原理课程设计说明书设计题目: 水吸收氨过程填料吸收塔设计学生姓名： 所在班级： 化工111学 号： 设计时间： 第一 二周指导教师： 罗建平审阅时间：水吸收氨过程填料吸收塔设计任务书一 设计课题试设计一座填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气体的处理量为2.334107m3/a。混合气体中含氨5（体积分数，下同），要求塔顶排放气体中氨含量低于0.02，采用清水进行吸收，吸收剂用量自定。二 操作条件1） 操作压力：常压2） 操作温度：20三 填料类型选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选。四 工作日每年300天，每天24小时连续运行。五 厂址柳州地区六 设计内容1） 吸

2、收塔的物料衡算2） 吸收塔工艺尺寸的计算3） 填料层压降的计算4） 液体分布器简要设计5） 吸收塔接管尺寸计算6） 绘制生产工艺流程图7） 绘制吸收塔设计条件图8） 对设计过程的评述和有关问题的讨论。七 设计基础数据20氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/(m3kPa)。目 录一. 设计方案简介 1二. 方案的选择2 二.1 设计方案的选定2 二.2 填料的选择2 二.3 气相物性数据2 二.4 液相物性数据2 二.5 物料衡算3二.6 填料的确定3三. 填料塔的工艺计算4 三.1 塔径的计算.4 三.2 填料层高度的计算.4 三.3 填料塔压降的计算.7四. 液体分布器简要设计8

3、四.1 液体分布器.8 四.2 液体再分布器.9 四.3 塔底液体保持管高度.10五. 吸收塔接管尺寸计算.11 五.1 气体进料管.11 五.2 液体进料管.11五.3 离心泵的选择. 12五.4 风机的选择. 12六. 生产流程图.13七. 吸收塔设计条件图.14八. 符号说明.15九. 设计一览表.16十 对设计的评述.17十一.参考文献.18(一) 设计方案简介塔设备是化工，石油化工，生物化工，制药等生产过程中广泛采用的气液传质设备，根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔 内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡或棚舍形式穿过板上的液层，进行传质与传热。在正常情况下

4、，气相为分散相，液相为连续相，气相组成程阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度发填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上流动，气液两相密切接触进行传质与传热。在正常操作下，气相为连续相，液相为分散相，气相组成呈连续变化，属微分接触逆流操作过程。工业上，塔设备主要用于蒸馏和吸收传质单元操作过程。蒸馏过程多选用塔式板，而吸收过程多选用填料塔。本次题目要求设计一座填料塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气体的处理量为2.334107m3/a。混合气体中含氨5（体积分数，下同），要求塔顶排放气体中氨含量低于0.02，采用清水进行吸收，吸收剂用量为最小用量的1.7倍。1） 操作条件1

5、）操作压力：常压2）操作温度：203）选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选。4）每年300天，每天24小时连续运行。5）厂址：柳州地区2）设计要求1） 吸收塔的物料衡算2） 吸收塔工艺尺寸的计算3） 填料层压降的计算4） 液体分布器简要设计5） 吸收塔接管尺寸计算6） 绘制生产工艺流程图7） 绘制吸收塔设计条件图8） 对设计过程的评述和有关问题的讨论。2） 设计基础数据20氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/(m3kPa)。（二）方案的选择1.设计方案的确定用水吸收NH3属中等溶解度的吸收过程，为提高传质效率选用逆流吸收流程。因用水作为吸收剂，且NH3不作为产品，故采用纯溶剂。2.填料

6、的选择对于水吸收NH3d 的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料，在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故选用聚丙烯阶梯环填料。3.液相物性数据对低浓度的吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。查附录得，20时水的 有关数据如下： . (化工原理（第三版）（上册）谭天恩 等编著 附录三） 密度为 粘度为表面张力为在水中的扩散系数为 4. 气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为 MvyiMi=0.0517+0.9529=28.4 混合气体的平均密度为 pv=PMV/RT=101.32528.4/8.314293=1.181kg/m3混合气体的黏度 可近似取为

7、空气的黏度，查附录二得20空气的黏度为. 化工原理（第三版）（上册）谭天恩 等编著 附录三） v=1.7310-5Pa.s=0.062kg/m.h 查物性数据手册NH3在空气中的扩散系数为 DV= 4.3610-5T3/2（1/MA+1/MB）1/2/P(VA1/3+VB1/3)2=1.79510-5m2/s=0.0646m2/h3.气液相平衡数据已知在20下氨在水中溶解度系数为 H=0.725kmol/kPa.m3则在常压下氨在水中的亨利系数为 化工原理下9-4 化工原理下9-6 5.物料衡算 进塔气相摩尔比： 化工原理下册9-34出塔气相摩尔比 .化工原理下册9-34进塔气体流量为：V=2

8、73(1-0.05)22.42937200=128.1kmol/h该过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算：(L/G)min=(Y1-Y2)/(Y1/m-X2) 化工原理下册 9-39b因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成X2=0所以 则操作液气比：取操作液气比为最小液气比的1.7倍，可得吸收剂用量为：L/V=1.7(L/V)min=1.70.752=1.277 .化工原理下册则L=1.277128.1=163.55kmol/h6.填料的确定该过程处理量不大，所用的塔直径不会太大，可选用38161.6聚丙烯阶梯环塔填料，其主要性能参数如下：比表面积at：72 空隙率：0.09

9、42湿填料因子： 填料常数 A:0.204 K：1.75 根据所要处理的混合气体，可采用水为吸收剂，其廉价易得，物理化学性能稳定，选择性好，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。三.填料塔的工艺尺寸的计算1.塔径的计算.化工单元过程及设备课程设计（P206-215）对于散装填料，其泛点率的经验值Eckert通用关联图计算泛点气速：气相质量流量为： wr=1.1817200=3241.67kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：W L=.2187200=2605.5kg/hEckert通用关联图的横坐标为：X=WL/WV (pv/pL)0.5=2605.53241.67(1.181998)0.

10、5=0.0276查通用关联图得： 查散装填料泛点填料因子平均值表得 化工单元过程及设备课程设计 表6-8F=170m-1Uf=(0.2gpL/ pGF0.2)0.5=3.105m/s取 =0.7uF=0.73.105=2.174m/s 工单元过程及设备课程设计 6-15由 圆整塔径 ：D=0.8m泛点率校核：U=3479.150.7850.823600=1.923m/sf =0.619 （在合理范围内）填料规格矫正：D/d=80038=21.058查常用散装填料的特性参数表：取最小润湿速率为LW=0.08m3/m2h at=72m2/m3Umin=LWmin at=0.0872=5.76m3/

11、m.h经上可知，填料塔径合适2.填料层高度计算 Y1* = mX1 = 0.7540.04099=0.0310 脱吸因数为： 273K，101.3kpa下，氨气在空气中的扩散系数.由,则293K，101.3kpa下，氨气在空气中的扩散系数293K，101.3kpa下，氨气在水中的扩散系数 . 查化学化工物性手册（无机卷）气相总传质单元数为： =11.42气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： 设计书6-40液体质量通量为：气体质量通量为：故：气膜吸收系数： 液膜吸收系数:查表得=1.35 故=0.09240.=4.279=0.38620.=14.47f =0.6190.5以下公式为修正计

12、算公式： =6.36 = 15.74 则 （H为溶解度系数）； =4.084由 = 0.616m由 Z = HOGNOG = 0.61611.42 = 7.035m取上下活动系数为1.5故 Z= 1.5Z = 1.57.035 = 10.55m故取填料层高度为11m.查散装填料分段高度推荐值查得. 2课程设计214页表6-16塑料阶梯环 h/D815 取h/D=10 得 h=100.8=8m故填料层需要分为二段，高度分别为5.5m 3. 填料塔压降的计算 采用Eckert通用关联图计算填料层压降横坐标为：查2P215表5-44得：纵坐标为： Eckert图查图得 填料层压降为： P =784.

13、813= 10.202Kpa四 液体分布器简要设计1. 液体分布器液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到意的分离效果。因而液体分布器的设计十分重要。特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和

14、设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。根据本吸收的要求和物系的性质可选用重力型排管式液体分布器，布液孔数应依据所用填料所需的质量分布要求决定，喷淋点密度应遵循填料的效率越高所需的喷淋点密度越大这一规律。分布点密度计算：表4.2 Eckert的散装填料塔喷淋点密度推荐值塔径，mm喷淋点密度，点/m2塔截面D=400330D=500285D=600246D=750170D120042按Eckert建议值，D750=800时，喷淋点密度为170点m2，塔液 相对负荷较小，所以设计取喷淋点密度为1

15、70点m2。总布液孔数n = 0.7850.82170=85.408取布液点数为： 60点布液计算：取=0.6 H=0.2m由 LS =128.1183600998=46.99=3.14/4 d02n22ghd0=0.00105m设计取d0=0.002m=2mm设计布液点数60 直径2mm 2 液体再分布器 液体在乱堆填料层内向下流动时，有一种逐渐向塔壁流动的趋势，即壁流现象。为提高塔的传质效果，当填料层高度与塔径之比超过某一数值时，填料层需分段。为改善壁流造成的液体分布不均，在各段填料层之间安设液体再分布器，以收集来自上一填料层来的液体，为下一填料层提供均匀的液体分布。在填料层中每隔一定高度

16、应设置一液体再分布器。在通常情况下，一般将液体收集器与液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。液体收集再分布器的种类很多，大体上可分为两类：一类是液体收集器与液体再分布器各自独立，分别承担液体收集和再分布的任务。另一类是集液体收集和再分布功能于一体而制成的液体收集和再分布器。液体再分布器有与百叶窗式集液器配合使用的管式或槽盘式液体再分布器、多孔盘式再分布器和截锥式液体再分布器。最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器，其结构简单，安装方便，一般多用于直径小于0.6m的填料塔中，以克服壁流作用对传质效率的影响。由于

17、此次设计填料层高度为10m需分段，根据实际情况选取多孔盘式液体再分布器。为防止上一填料层来的液体直接流入升气管，应于升气管上设盖帽液体分布器分为截锥形再分布器、边圈槽型再分布器、改进截锥形再分布器:(1)截锥式再分布器 截锥式再分布器分为两种，其中一个是将截锥体固定在塔壁上，其上下均可装满填料，锥体不占空间，是最简单的一种。另一个是在截锥上方设支承板，截锥以下隔一段距离再放填料，需分段卸出填料时可用此型。截锥体与塔壁的夹角一般取为35-40，截锥下口直径D1=（0.70.8）D。截锥型再分布器适于直径800mm以下的塔应用。(2)边圈槽形再分布器 壁流液汇集于边圈槽中，再由溢流管引入填料层。边

18、槽宽度为50100mm，可依塔径大小选取，溢流管直径为1632mm，一般取34根溢流管。此型结构简单，气体通过截面较大，可用于3001000mm直径的塔中，其缺点是喷洒不够均匀。(3) 改进截锥形再分布器 此型既改善了液体分布情况，又有较大的自由截面积，适用于600mm以下塔径。此次设计吸收塔填料层分层，所以需设计液体再分布器2.3 塔底液体保持管高度塔底液体保持管高度可以根据液体的流率及布液孔的直径选定。：塔底液位保持管高度与所需的布液孔直径两者之间的关系如下 布液孔直径为24.8mm,液体保持管高度为 4LS/d2nk2g=0.1704mk为孔流系数，其值由小孔液体流动雷诺数决定，在雷诺数

19、大于1000的情况下,可取0.60-0.62。液位高度的确定应和布液孔径协调设计,使各项参数均在一定范围。对于重力式排管液体分布器，液位保持管的高度由液体最大流率下的最高液位决定，一般取最高液位的1.12-1.15倍。五 吸收塔接管尺寸计算1、气体进料管 由于常压下塔气体进出口管气速可取1220，故若取气体进出口流速近似为19m/s，则由公式可求得气体进出口内径为 采用直管进料，由化工原理 第三版 上册 谭天恩等主编 化学工业出版社P269查得选择直径270mm10mm热轧无缝钢管，则 气体进出口压降: 进口：出口：2、液体进料管 由于常压下塔液体进出口管速可取，故若取液体进出口流速近似为2.

20、4m/s，则由公式可求得液体进出口内径为采用直管进料，由化工原理第三版 王志魁主编 化学工业出版社P381查得选择热轧无缝钢管，则在合乎范围内3 离心泵的选型 管内液体流速： u=2.40m/s 则雷诺数；根据柏拉休斯（Blasius）式3：直管阻力系数：查弯头管和阀件阻力系数数据3得：（全开标准阀）=6.0；（标准90，弯头）=0.75若取弯头为三个,则局部阻力损失：=6.0+0.753=8.25管路总压头损失： 填料塔压降为：扬程： 流量：选型号IS50-32-125泵合适，选该泵扬程15m，流量3.47m3/h，转速2900r/min,效率为0.6。 4 风机的选型设计任务中混合气体处理

21、量为3241.67.Nm3/h。换算为常压常温下，气体流量为：因为填料塔压降：P=10200 Pa全风压计算：考虑到运送过程中的损失，取安全系数1.2 Pt=1.210.4=12.48kpa参考通风机选型实用手册，风机选择型号为LGX75-12A，机号为NO16，转速1450r/min，序号为2，流量是35786m3/h，全压15387Pa，所需功率224.3kw，配用电机型号Y355M-4,数量一台。六 生产工艺流程图尾气草图：混合气体进入吸收塔塔底混合气体（含氨气）经风机进入缓冲器吸收塔进行吸收吸收剂水进入吸收塔塔顶反应液废液排放产品液体收集七 吸收塔设计条件图吸收塔类型聚丙烯阶梯环吸收填

22、料塔混合气体处理量（m3/h）3241.76塔径D（m）0.8填料层高度Z（m）11气相总传质单元高度（m）0.2619气相总传质单元数11.42泛点气速（m/s）2.174泛点率0.7压降（kpa）10.202操作压力（kpa）101.3操作温度（）20填料直径（mm）38孔隙率0.91填料比表面积a(/m3)72填料常数A0.204填料常数K1.75八、符号说明填料层的有效传质比表面积（m/m）填料层的润滑比表面积m/m吸收因数;无因次填料直径，mm；填料当量直径，mm扩散系数，m/s； 塔径亨利系数，KPa重力加速度，kg/(m.h)溶解度系数，kmol /(m.KPa)气相总传质单元高

23、度，m气膜吸收系数, kmol /(m.s.KPa)气相总传质系数，无因次气膜吸收系数, kmol /(m.s.KPa)气体通用常数，8.314kJ/(kmol.K)解吸因子温度，0C空塔速度，m/s液泛速度，m/s惰性气体流量，kmol/h混合气体体积流量，m3/h混合气体流量，kmol/h是吸收液量 kmol/h填料因子， m-1吸收剂用量kmol/h; kmol/s压降填料因子， m-1液体密度校正系数x溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次y溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次Z填料层高度 mmin最小的max最大的粘度 Pa.s密度 kg/m3表面张力 N/m孔隙率相平衡常数，无因次九设计

24、一览表名称设计结果工作天数300天，每天24小时操作温度20操作压力常压气体处理量Nm3/a处理气氨气含量5%体积分数排放气中氨气含量0.02%体积分数吸收剂水填料塑料阶梯环流程逆流最小液气比1.124吸收剂用量163.55kmol/h吸收剂进塔摩尔比0吸收剂出塔摩尔比0.04099塔径D800mm气相总传质单元数NOG11.42气相总传质单元高度HOG0.2619填料层高度Z11m每段填料层高度5.5m填料层压降P10.202Pa塔底液保持高度0.9m塔高11m气体出口管径630mm钢管气体进口管径630mm钢管液体进出口管径40mm钢管填料塔上部高度h12.5m填料塔下部高度好h2.5m布液孔数n6923个泛点气速uF3.629m/s十 对设计过程的评述这次我的课程设计题目是水吸收氨过程填料塔的设计，这是关于吸收中填料塔的设计。填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构较简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。通过这次的课程